可靠性分配理论及其应用

可靠性分配及其应用
[摘要]可靠性分配是系统可靠性设计的重要任务之一，其结果直接影响系统的设计方案。

为了能快速获得在一定费用约束条件下的可靠性优化分配结果，减少分配过程中的主观因素，建立了可靠性预计值的可靠性分配模型，并设计了新的编码方式和新的变异率调整模型，使改进后的遗传算法能用于求解复杂系统的可靠性分配问题。

最后给出导弹武器可靠性分配的计算实例和结果分析。

0 引言
可靠性分配是可靠性设计的重要任务之一，是把系统设计任务书中规定的可靠性指标，由上到下、由大到小、由整体到局部，按一定的分配方法分配给组成该系统的分系统、设备及元件。

通过可靠性指标的分配，可以从技术、人力、时间、资源各个方面分析各部分指标实现的难易情况，从而使系统各层次的设计人员明确各自的设计目标，为指标监控和采取改进措施提供依据。

对复杂系统来说，为使可靠性分配方案更为合理，要综合考虑系统各组成单元间在重要度、复杂度、技术发展水平、工作时间和环境条件等方面的不同，进行可靠性优化分配的实质就是综合以上各方面因素，在一定的分配原则下，得到合理的可靠性分配值的优化解。

1 可靠性分配的定义
所谓系统可靠性分配就是要求系统在定义体系结构的时候，设法将系统分解成部件(子系统或模块)，并且为了保证各部件的设计时间、难度、风险大致相等，必须根据系统可靠性要求，确定各模块的可靠性，以保证使得系统开发费最低。

从可靠性分配的定义可以看出，可靠性分配要求在系统生存周期的定义阶段就进行，即在系统的可行性论证、需求分析、初步设计、详细设计阶段进行。

随着系统设计的深入，我们可以得到更多的相关信息，从而使可靠性分配结果也越来越趋向合理。

比如在可行性论证阶段，因为此时系统的相关信息较少，所以我们可以根据类似产品运用类比法进行可靠性初步分配;而到详细设计阶段，由于可以获得系统复杂性、操作剖面等一些信息，我们就可以用更好的分配方法(如基于操作剖面的可靠性分配法)使结果更加精确。

事实上，可靠性分配还可以在开发阶段根据需要进行调整。

目前，几乎所有的可靠性模型都用于测试操作阶段，是在完成产品开发初始阶段后用来估计系统可靠性的模型，也就是说至少要在完成定义阶段后才能被使用。

这些模型共同回答了这样一个问题:“这系统有多可靠”。

模型的使用依赖于在系统初始阶段的分析和设计，因此，它们几乎对系统工程的设计、计划阶段没有产生任何影响。

可靠性分配模型是用来回答这样一个问题:“系统应该有多可靠”。

系统可靠性分配在计划、设计阶段为不同的产品部件在时间及工作量的分配上提供了指导，为开发管理提供了有效的控制工具并且把可靠性设计融入到系统之中，因此，这个阶段对系统后来的可靠性的影响是非常关键的。

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2可靠性分配现状
系统可靠性分配与系统可靠性工程中的另外两项工作—可靠性的预计、评价组成了整个系统可靠性的主要工作。

以前系统可靠性研究的主要目的是评价和度量系统的可靠性和对系统的可靠性进行预测。

可靠性的预计、评价经过多年的发展，已经形成了一套相对较为成熟的理论，而系统可靠性分配研究是在近些年才发展起来的研究工作，所以系统可靠性分配相对于可靠性的评价和度量技术还显得不够成熟，还有待进一步完善。

从国内外的发展状况来看，国内较国外相对落后。

目前，国外的系统工程界人士，如Musa、Fran等人己在影响可靠性分配的因素如操作剖面、收集历史数据的特性等方面有了一定的研究。

Fatemehzahedi、MaryE.Helander等人也提出了一些可靠性分配方法并建立了相应的可靠性分配模型。

这些工作和方法总的特点是它们是在与实际工程经验相结合的基础上被提出来，具有较强的应用针对性，但同时也存在着模型使用范围受到限制的缺陷。

由于系统系统的复杂性，影响系统系统可靠性的因素众多且不确定，而它们又是应用分配方法的关键，所以国外的可靠性分配的研究领域还在不断的发展和完善之中。

在国内，徐仁佐、杨晓青等专家也开展了相应的可靠性分配研究工作，如面向多用户的模块化系统系统的可靠性分配、系统可靠性指标分配的故障树分析法等在理论上都具有一定的创新性。

但是由于国内系统业发展起步较晚，这方面工作还没有得到充分的重视，可靠性分配方法和模型方面的研究较国外相对要少。

一些方法因为同实际工程结合获得的经验较少，还缺乏在实际工程中的检验。

由于系统工程是一个非常复杂的领域，而且系统的生产过程丰富多彩，因此到目前为止，己提出的许多可靠性分配模型，如同其它评价、预测系统可靠性模型一样，根据经验并没有一个普遍适用的分配模型。

这些模型根据不同的影响因素，从不同的角度来建立，会产生一些分配模型对产品1比较适合，而对产品2并不适用的情况，也即没有在所有情况下都优秀的单个模型，因此有必要为实践者建立关于如何选择的标准。

3 分配方法分类
目前，对于硬件可靠性的分配己有许多成熟的技术可以应用，但是对于如何进行系统可靠性的分配，相关的文献资料和技术报告不多见，特别是在军用系统设计及应用方面，还在不断摸索。

下面简要列出已有的的各种方法与技术及其优缺点:
3.1快速分配法
是借鉴功能类似的旧系统或旧模块的可靠性数据进行可靠性分配，该方法方便实用，需要有可借鉴的系统或模块的可靠性指标数据，对于新开发的系统系统，如没有参考数据，则此方法无法应用。

3.2 等分法
可用于顺序或并行执行的系统系统，优点是它非常简单，但是它没有考虑各模块之间的不同属性，如重要性、复杂性等的不同，只是单纯的平均分配，对于那些需要精确分配各部件可靠性指标的系统则无法采用。

3.3基于故障率的分配方法
先根据一种系统可靠性模型对系统系统在交付时的故障率进行估计，然后根据估计出的结果将故障率指标按一定的比例分配到各个模块中，但是估计和计算系统可靠性模型中各参数的值比较麻烦，且不容易找到一种合适的系统可靠性模型。

3.4基于危险因子和复杂性因子的可靠性分配方法
根据系统系统的危险性和复杂性将故障率分配到各个模块中去，过程比较简单，缺点是危险性因子的估计带有一定主观因素，复杂性因子的确定往往不容易得到。

3.5 AHP(Analytic Hierarchy Process)
是一种基于功能概图的分配方法，它考虑了系统的开发成本，能在保证系统可靠性达到一定要求的条件下，节约开发资源，但是其算法比较复杂，而且功能概图的确定也具有一定的主观性，且功能概图的最后确定不是在系统设计阶段就能完成的，它需要多个反复才能最后确定，但系统的分配指标需要在设计阶段完成。

3.6 基于故障树的分配方法
是一种全新的思路，首先提出把故障树技术运用到可靠性分配中去，创建的快速分配模型具有直观、有效、简单的特点，并且通过图形演绎的方法，表达了系统的内部联系及其关键模块，从而有效地指导用户有针对性地进行可靠性指标分配。

但故障树分析法要求分析研究人员对系统结构十分了解，增加了分析的难度。

系统可靠性的分配方法是在近几年才逐渐发展起来的，这些方法本身可能还存在着或多或少、程度不同的问题。

而且很多方法与系统可靠性的建模、预测等有着紧密关系，因此，系统可靠性的建模以及预测技术的好坏也将直接影响到可靠性分配结果的优劣。

所以，在系统可靠性指标分配中，采用多种技术综合分析是十分有效的。

4 可靠性分配的应用实例
4.1 实例一
设某系统有5个单元，其当前故障率及价格如表1所示。

表1中，价格单位
λ≤，求故障率的最优分配。

为万元，故障率单位为次/发。

要求系统故障率0.005
s
该问题化为下列规划问题:
其最优解为：
最优值为：
4.2 实例二
设某武器系统有5个单元，其当前故障率及价格同实例1，设系统造价上限
0200
C=万元，故障率上限
00.005
λ=次/发，求故障率的最优分配。

其目标函数为：
若价格和性能权利分别为0.8、0.2，则化为下列规划：
该问题的最优解为：
最优值为：
从本例可以看出，若用规划法分配系统可靠性，既达到了系统可靠性的要求，同时又节约了系统造价约60万元。

5 结束语
可靠性分配是一项既重要又复杂的工作，本文介绍了可靠性分配的定义以及几种常用的分配方法。

这些方法在实际应用中较为实用，应用这些方法对可靠性分配，取得了较为满意的效果。

可靠性分配是一项繁琐、耗时、费用较大的工作，我们应用计算机等多种手段，优化可靠性分配的方法，使可靠性分配能够迅速、准确地进行。